Während die meisten bisher bekannten Riesenviren ihre DNA im Zytoplasma der infizierten Zelle replizieren, zeigen sie, dass viele Mirusviren einen Lebensstil haben, der auf einer Replikation ihrer DNA im Zellkern basiert. Diese Arbeit zeigt nicht nur eine bedeutende ökologische Nische für DNA-Viren im Plankton, sondern auch eine einzigartige Evolutionsgeschichte.
© Rachel Javet
Mirusviren sind DNA-Viren mit komplexen Genomen, die weltweit in Ozeanen, Meeren, Flüssen und Seen verbreitet sind, wo sie einzellige Eukaryoten infizieren. Ihre Entdeckung, die durch die Expedition Tara Oceans begann, ermöglichte es bereits 2023, eine erste große Gruppe, die Ordnung Demutovirales, zu beschreiben und die Evolutionsgeschichte des Herpesvirus besser zu verstehen. Sie enthüllte auch die Existenz einer zweiten Gattung von Riesenviren, die mit Plankton assoziiert ist, zwei Jahrzehnte nach der Entdeckung einer ersten Gattung: der Nucleocytoviren.
Mirusviren bilden Virionen, die sich sehr von denen der Nucleocytoviren unterscheiden. Diese beiden Linien können daher nicht unter derselben taxonomischen Kategorie zusammengefasst werden. Dennoch teilten die in der ersten Studie beschriebenen Mirusviren ein Hauptmerkmal mit den etablierten Riesenviren: das Vorhandensein wesentlicher Funktionen, einschließlich Polymerasen, die Enzyme sind, die die Replikation viraler DNA und deren Transkription direkt im Zytoplasma ihrer Wirte ermöglichen. Zwei Linien von Riesenviren schienen somit zu koexistieren, jede mit einem eigenen Virustyp, aber beide auf eine zytoplasmatische Replikation ausgerichtet.
Die neue Studie stellt dieses Modell vollständig auf den Kopf.
Ein zweiter Stamm von Riesenviren, reich an ungeahnter Vielfalt
In einem in der Zeitschrift Nature Microbiology veröffentlichten Artikel entdeckten Wissenschaftler viele zusätzliche Linien von Mirusviren durch die Rekonstruktion und anschließende Analyse von über 1200 Umweltgenomen.
Phylogenetische Ansätze ermöglichen es ihnen, eine erste erweiterte Klassifikation vorzuschlagen: Die Mirusviren würden einen zweiten Stamm von Riesenviren bilden (nach den Nucleocytoviren), der zwei weitere große Ordnungen (Okeanovirales und Styxvirales), eine kleinere Ordnung (Soporavirales) sowie 13 rätselhaftere Ordnungen umfasst, die eine überraschende Evolutionsgeschichte aufgrund ihrer Vielfalt zu haben scheinen, von denen aber bisher nur wenige Viren charakterisiert wurden.
Mirusviren, die auf den Kern und nicht mehr auf das Zytoplasma ihres Wirts ausgerichtet sind
Im Zentrum der Studie stehen unerwartete genetische Merkmale, die einen radikal unterschiedlichen Lebensstil für die meisten der neu beschriebenen Mirusviren offenbaren.
Im Gegensatz zu den Mirusviren der Demutovirales (und den meisten bekannten Riesenviren) besitzen die meisten neu identifizierten Mirusviren keine Polymerasen, obwohl ihre Genome eine halbe Million Nukleotide erreichen können. Sie sind daher stark von den Replikations- und Transkriptionsenzymen der Wirtszelle abhängig, Aktivitäten, die ausschließlich im Zellkern stattfinden.
Eine weitere Überraschung: Ihre Gene sind übersät mit Spliceosom-Introns, DNA-Segmenten, die nicht zu den kodierenden Teilen der Gene gehören. Damit die Gene funktionelle RNA produzieren, müssen diese Introns durch das Spliceosom entfernt werden, eine zelluläre Maschinerie, die kodierende Sequenzen zu einer reifen RNA zusammensetzt. Dieser Schritt findet ausschließlich im Zellkern statt, was einen nukleären Replikationsmodus bestätigt.
Die Forscher entdeckten auch, dass diese Introns Tausende von Endonuklease-Genen enthalten, eine Kombination, die zuvor noch nie beobachtet wurde, nicht einmal bei Eukaryoten. Endonukleasen sind Enzyme, die DNA innerhalb einer Sequenz schneiden können (im Gegensatz zu Exonukleasen, die an den Enden schneiden). Bei diesen Mirusviren deutet ihre Präsenz in den Introns auf besonders aktive Mechanismen der genetischen Mobilität und der Genomumgestaltung hin, was die Idee einer sehr dynamischen Evolutionsgeschichte ihres Intronreichtums verstärkt.
Wichtige, noch offene Fragen
Diese Studie zeigt also, dass der Kern einzelliger Eukaryoten, Schlüsselorganismen des Planktons, die eine erhebliche ökologische und evolutionäre Rolle spielen, insbesondere im Kontext der globalen Erwärmung, eine Nische für die Replikation vieler DNA-Viren mit komplexen Genomen ist. Diese Mirusviren verändern daher unser Verständnis der Funktionsweise des Planktons im Allgemeinen und der Zell-Virus-Interaktionen im Besonderen.
Viele Fragen bleiben offen:
- Wie haben sich diese Viren zu zwei unterschiedlichen Lebensweisen entwickelt? Eine ist auf das Zytoplasma ausgerichtet (Demutovirales), die andere auf den Kern (Okeanovirales und Styxvirales).
- Was sind ihre Hauptwirte? Und wie beeinflussen sie die Physiologie einzelliger Eukaryoten in großem Maßstab?
- Sind Kern- + Zytoplasma-Koinfektionen häufig? Kann eine Zelle gleichzeitig von einem zytoplasmatischen Riesenvirus und einem nukleären Mirusvirus infiziert werden? Begünstigt dies den Genaustausch zwischen Viren, insbesondere mit den Nucleocytoviren?
Mehrere internationale Teams arbeiten bereits an diesen Fragen, und die kommenden Jahre sollten die Rolle und Evolution dieser erstaunlichen Riesenviren weiter aufklären.